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南開大學關英、張擁軍課題組:分子彈簧增強的高強度高回復性水凝膠
2021-02-20  來源:高分子科技

  合成高分子水凝膠的一個突出問題是機械強度差。為了解決這一問題,人們提出了很多制備高強度水凝膠的策略,例如雙網絡水凝膠、納米復合水凝膠、tetra-PEG凝膠、拓撲水凝膠、雙重交聯水凝膠等。利用這些策略成功制備了許多高韌、高延展水凝膠。然而這些凝膠的可回復性(resilience)往往較差,經過一次受力形變后其力學性能常難以恢復,需經過較長時間等待甚至特殊處理才能大致恢復。制備強度高且可回復性良好的水凝膠成為這一領域的一大挑戰。


  為了提高水凝膠強度通用的策略是引入能量耗散機制。現有高強度水凝膠常通過共價鍵以及氫鍵、配位鍵、疏水相互作用、可逆共價鍵等可逆動態相互作用的斷裂進行能量耗散,實現增強的目的。這些相互作用斷裂后不能再生,或不能立即完全恢復。這是導致現有高強度水凝膠回復性差的根本原因。


  為了解決這一問題,南開大學關英、張擁軍課題組提出了一種新的能量耗散機制。很多多肽如聚谷氨酸等通過分子內氫鍵形成α-螺旋構象。這些氫鍵在受力拉伸時也能斷裂,使能量耗散,因此可用于凝膠增強。與以前的能量耗散機制不同的是,撤去外力后這些氫鍵將立即重新生成,多肽將重新折疊形成α-螺旋結構。由于多肽折疊具有高度的精確性,重新生成的α-螺旋將與原來的構象相同,因此凝膠的各種性能將能快速恢復。在水凝膠中這些α-螺旋結構如同分子彈簧,在受力時吸收并儲存能量,卸載時又將能量釋放出來。因此凝膠將不僅具有高的強度,而且具有高的可回復性。其原理如下圖所示:



  利用這一原理他們制備了多肽交聯的水凝膠。測試表明,由于能量耗散機制的引入,凝膠機械性能大大改善。斷裂伸長率達>1250 %,抗張強度達>0.5 MPa,彈性模量達> 0.12 MPa,韌性達> 2.5 MJ/m3。和BIS交聯的普通凝膠相比,多肽交聯的水凝膠的韌性提高23倍。



  更重要的是,連續加載-卸載實驗表明,該凝膠具有良好的可回復性(>94%)。連續加載-卸載100次,結果高度可重復:



  高強度水凝膠的一項重要用途是用于應力傳感器。由于良好的可回復性,本工作制備的傳感器不僅靈敏度高,而且數據高度可重復,基線非常穩定(見下圖)。相反,由于可回復性不佳,以前報道的水凝膠傳感器常常觀察到明顯的基線漂移。



  這一成果發表在Chemical Engineering Journal上。第一作者為博士生劉瑞,通訊作者為關英副教授張擁軍教授


  原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.128839

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